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生物醫(yī)學信號指標與人體的健康息息相關，只有掌握其中規(guī)律才能更好的解決人體的健康問題。隨著電子信息技術的發(fā)展和醫(yī)學的不斷進步，人們對高精度便捷式生物醫(yī)學信號電子檢測設備的需求越來越高。而心率和步數(shù)又是人體的兩個重要指標。

本設計由STM32F103C8T6單片機核心板電路、ADXL345傳感器電路、心率傳感器電路、溫度傳感器和lcd1602電路組成。

通過重力加速度傳感器ADXL345檢測人的狀態(tài)，計算出走路步數(shù)、走路距離和平均速度；通過心率傳感器實時檢測心率；通過溫度傳感器檢測溫度；通過LCD1602實時顯示步數(shù)、距離和平均速度、心率以及溫度值。

No.1

系統(tǒng)功能分析與結構設計

本設計由STM32F103C8T6單片機核心板電路+ADXL345傳感器電路+心率傳感器電路+溫度傳感器+lcd1602電路組成。

1、通過重力加速度傳感器ADXL345檢測人的狀態(tài)，計算出走路步數(shù)、走路距離和平均速度。

2、通過心率傳感器實時檢測心率，通過溫度傳感器檢測溫度。

3、lcd1602實時顯示步數(shù)、距離和平均速度、心率以及溫度值。

本系統(tǒng)具體框圖如下圖所示：

圖1. 結構設計框圖

No.2

STM32處理器電路設計

STM32系列處理器是意法半導體ST公司生產的一種基于ARM7架構的32位、支持實時仿真和跟蹤的微控制器。

選擇此款控制芯片是因為本系統(tǒng)設計并非追求成本的最低或更小的功耗，而是在實現(xiàn)本設計功能的前提下能夠提供更豐富的接口和功能以便于設計實驗系統(tǒng)各實驗項目所需的外圍擴展電路。

此款控制芯片在完成單片機課程的學習后上手較為容易，在醫(yī)療器械中應用廣泛，具有很好的學習、實驗研究價值。

圖2. STM32處理器引腳圖

No.3

LCD1602顯示電路設計

LCD顯示器分為字段顯示和字符顯示兩種。其中字段顯示與LED顯示相似，只要送對應的信號到相應的管腳就能顯示。字符顯示是根據(jù)需要顯示基本字符。本設計采用的是字符型顯示。

系統(tǒng)中采用LCD1602作為顯示器件輸出信息。與傳統(tǒng)的LED數(shù)碼管顯示器件相比，液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富等優(yōu)點，而且不需要外加驅動電路，現(xiàn)在液晶顯示模塊已經是單片機應用設計中最常用的顯示器件了。LCD1602可以顯示2行16個漢字。

LCD1602主要技術參數(shù)如下：

1）顯示容量為16×2個字符；

2）芯片工作電壓為4.5～5.5V；

3）工作電流為2.0mA（5.0V）；

4）模塊最佳工作電壓為5.0V；

5）字符尺寸為2.95×4.35（W×H）mm。

LCD1602采用標準的14腳，其引腳說明如下：

1）第1腳：VSS為地電源。

2）第2腳：VDD接5V正電源。

3）第3腳：V0為液晶顯示器對比度調整端。

4）第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。

5）第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。

6）第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。

7）第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。

8）第15～16腳：空腳。

 LCD1602液晶模塊內部的控制器共有11條控制指令，說明下表所示：

No.4

傾斜抖動傳感電路設計

本設計選擇傾角傳感器ADXL345模塊實時檢測相關的狀態(tài)信息。ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計，分辨率高(13位)，測量范圍達±16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進制補碼格式，可通過SPI(3線或4線)或I2C數(shù)字接口訪問。

ADXL345非常適合移動設備應用。它可以在傾斜檢測應用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運動或沖擊導致的動態(tài)加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化。

該器件提供多種特殊檢測功能。活動和非活動檢測功能通過比較任意軸上的加速度與用戶設置的閾值來檢測有無運動發(fā)生。敲擊檢測功能可以檢測任意方向的單振和雙振動作。自由落體檢測功能可以檢測器件是否正在掉落。這些功能可以獨立映射到兩個中斷輸出引腳中的一個。

正在申請專利的集成式存儲器管理系統(tǒng)采用一個32級先進先出(FIFO)緩沖器，可用于存儲數(shù)據(jù)，從而將主機處理器負荷降至最低，并降低整體系統(tǒng)功耗。低功耗模式支持基于運動的智能電源管理，從而以極低的功耗進行閾值感測和運動加速度測量。ADXL345模塊接口圖如下圖所示。

圖3. ADXL345傳感器引腳圖

ADXL345模塊內部電路圖如下圖所示。U2即為穩(wěn)壓芯片，實現(xiàn)5V直流電轉化為3.3V直流電，C1-C4為濾波電容。R2、R3為上拉電阻，讓信號輸入更加穩(wěn)定。D1為電源指示燈，R1為限流電阻，來保護LED燈D1。

圖4. ADXL345傳感電路原理圖

No.5

脈搏心率傳感電路設計

脈搏心率傳感器是用來測試心跳速率的傳感器，實質是一款集成了放大電路和噪聲消除電路的光學心率傳感器?？梢酝ㄟ^此傳感器開發(fā)出和心率有關的互動作品。傳感器可以戴在手指或者耳垂上。

光電傳感器將脈搏信號轉換為電信號，此裝置需要把手指放在傳感器表盤上，光電傳感器，此傳感器是集成了放大電路和噪聲消除電路的光學心率傳感器，光電傳感器一側的發(fā)光二極管發(fā)光，當脈搏跳動時，指尖或者耳垂的動脈血管血容量發(fā)生周期性變化，透過指尖的光強度同時發(fā)生變化。另一側的光電三極管將接收到的紅外光信號轉化為電信號。

為了方便單片機檢測心率傳感器的輸出信號，選擇LM393比較器將波形濾波一下，使傳感器輸出信號轉換為標準方波信號，更利于單片機采集，保證了信號的穩(wěn)定檢測。

圖5. 脈搏傳感電路原理圖

LM393比較器模塊具體內部原理圖如下圖所示。其中R1電阻為分壓電阻，將比較器模塊檢測到的模擬信息轉化為模擬電壓信號，模擬量信號接入LM393比較器后，即可與LM393比較器芯片2號引腳所接的電位器分壓后的模擬電壓進行比較，進而得出數(shù)字信號（即方波信號）。

C1、C2為濾波電容，C1電容對電源進行濾波，讓電源輸出更穩(wěn)定。C2電容對模擬信號進行濾波，保證模擬信號輸出的穩(wěn)定性。R2、R3均為限流電阻，來保護LED燈，防止LED燈燒壞，LED燈均為低電平有效。R4為上拉電阻，上拉就是將不確定的信號通過一個電阻鉗位在高電平，同時起限流作用。保證LM393輸出的高低電平信號在與單片機引腳連接時電平信號的讀取更加穩(wěn)定。

圖6. LM393比較器原理圖

No.6

溫度傳感電路設計

DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。

DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。

圖7. DS18B20傳感電路原理圖

No.7

系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)設計主要采用Keil uVision5軟件編寫與調試程序，程序語言采取易讀性和移植性更高的C語言編寫。系統(tǒng)運行流程圖如下圖所示。

圖8. 軟件處理程序流程圖

在搭建調試平臺后，需要對軟件程序進行調試，若程序調試沒有問題，接下來開始驗證系統(tǒng)功能是否滿足要求，若功能有問題，需要繼續(xù)調試程序，反復進行，直到所有功能都滿足為止。

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